面包老化機理及其分析技術(shù)的研究進(jìn)展

詹冬玲，任玉雪，閔偉紅，劉景圣

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春130118)

面包一直以來作為營養(yǎng)豐富且方便的食品，深受國內(nèi)外消費者的青睞。但面包在貯存過程中易老化、變硬，面包皮脆性下降，失去光澤;口感粗糙、風(fēng)味變劣，使其不易保存。老化后的面包部分作為工業(yè)原料和飼料，甚至是垃圾，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，致使面包產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到極大限制［1-2］。因此，對面包老化問題的研究對面包的工業(yè)化發(fā)展具有相當(dāng)重要的意義。

1 面包老化機理

面包老化一般是指隨著貯存時間的延長，面包由軟變硬，內(nèi)部組織變得松散、粗糙，表皮軟化，光澤下降，彈性和風(fēng)味消失等現(xiàn)象。國內(nèi)外學(xué)者一個多世紀(jì)以來一直致力于研究面包的老化機理，控制面包老化的方法，延長產(chǎn)品的貨架期。目前認(rèn)為面包老化機理主要有三種理論:一是面包中水分的遷移;二是淀粉重新結(jié)晶;三是面包中淀粉與面筋蛋白質(zhì)之間的作用［3-4］。

1.1 水分遷移

面包的老化最初被認(rèn)為是由貯存過程中水分流失所致。上個世紀(jì)50 年代，科學(xué)家通過實驗證明在水分幾乎零損失的情況下面包老化也會發(fā)生。而Engelsen 在本世紀(jì)初通過實驗表明水分含量及分布狀態(tài)可顯著影響面包的老化速率［5］。在淀粉與面筋水分吸附量實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)矸壑兴?d 內(nèi)由58%降至51%時，面筋的水分結(jié)合量在此期間基本保持不變，這說明水分由淀粉轉(zhuǎn)移到面筋［6］。Peleg 實驗表明，面包內(nèi)的水分遷移會導(dǎo)致面包瓤水分減少，從而使玻璃態(tài)溫度升高，面包瓤變干，所以硬度增加;但當(dāng)表皮水分升高時，玻璃態(tài)溫度降低，脆性下降［7］。

1.2 淀粉的重結(jié)晶

面包老化主要是由淀粉老化引起的，面包中的直鏈淀粉和支鏈淀粉在加熱烘焙的條件下產(chǎn)生糊化，淀粉晶體(β-淀粉)結(jié)構(gòu)被破壞，分子間氫鍵斷裂，水分子與淀粉形成氫鍵成為膠體溶液，形成可溶性的α-淀粉。而面包在常溫貯藏過程，糊化形成的α-淀粉開始自動排序，形成高度結(jié)晶化的致密的不溶性淀粉分子，出現(xiàn)了淀粉回生的現(xiàn)象。研究表明，支鏈淀粉的回生可以引起面包的硬化，但淀粉的回生并不等同于面包的硬化［8］，主要是因為面包老化與淀粉回生相比是一個相對比較快的過程。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為淀粉回生對面包老化過程有重要作用，但不是面包老化過程中唯一起作用的因素。

1.3 淀粉與面筋蛋白質(zhì)之間的作用

面包老化過程還受淀粉顆粒與面筋蛋白質(zhì)形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)間的相互作用的影響。王仲禮［9］實驗表明，面包的老化受淀粉與小麥面筋蛋白間的相互作用的影響。淀粉顆粒懸浮在面筋蛋白質(zhì)形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)，面筋蛋白質(zhì)含量高，會使淀粉顆粒的重結(jié)晶作用減弱，延緩面包老化。而面筋蛋白的筋力對面包的老化也有影響，筋力差的面筋蛋白質(zhì)由于親水性強，與淀粉顆粒之間的相互作用顯著，烘焙期間及烘焙后，這種相互作用更顯著，這種面粉做的面包老化速率更快。研究面筋蛋白質(zhì)對面包老化的影響，Sidhu 從淀粉分子的增溶作用及與面筋蛋白質(zhì)分子間的相互作用、淀粉顆粒的膨潤性等方面做了解釋［10］。

2 老化機理分析技術(shù)及研究進(jìn)展

面包老化機理非常復(fù)雜，為了弄清面包老化機制，采用現(xiàn)代分析技術(shù)進(jìn)一步探討水分遷移、淀粉重結(jié)晶及淀粉與面筋蛋白質(zhì)之間的作用與面包老化的關(guān)系，進(jìn)而研究出無添加的、有效的延緩面包老化的技術(shù)。目前，研究老化機理的分析技術(shù)主要有差示掃描量熱儀(DSC)、核磁共振(NMR)、X-射線衍射技術(shù)、近紅外光譜(NIRS)、動態(tài)機械熱分析儀(DMTA)、食品質(zhì)構(gòu)儀(TA)和掃描電鏡(SEM)等。

2.1 差示掃描量熱儀(DSC)

淀粉的老化是影響面包老化的重要因素之一，采用DSC 可準(zhǔn)確測定支鏈淀粉的重結(jié)晶和淀粉回生，因此，DSC 在研究面包老化過程有重要作用，一方面，測定與支鏈淀粉重結(jié)晶相關(guān)的焓的變化和冰溶解的焓變，進(jìn)而研究可凍結(jié)水量;另一方面，可直接通過DSC 吸熱峰來研究和評價淀粉的回生。

2000 年，Moo-Yeol 等人對含皮和去皮面包的老化過程進(jìn)行了研究［11］。即將約15mg 樣品密封于不銹鋼樣品盒中，對照為不含樣品的空盒。移入到DSC 儀器中，通過液氮將其冷卻到-40℃，然后加熱到140℃得到熱圖。經(jīng)計算得冰及支鏈淀粉的熔解焓值。實驗表明，與支鏈淀粉重結(jié)晶相關(guān)的熱焓隨貯存時間的延長而增大。且?guī)姘さ妮^去皮的樣品吸熱焓值大。面包的硬度變化也是面包老化的表現(xiàn)之一，所以在2001 年，Rasmussen 通過DSC 研究面包在改良后的空氣中硬度變化，進(jìn)而觀察面包的老化現(xiàn)象［12］。DSC 結(jié)果參數(shù)顯示，面包置于20℃下儲存7d，儲存在未改良的空氣和改良空氣中的面包硬度和淀粉回生程度無明顯區(qū)別。因此，面包在改良空氣中儲存只能提高面包微生物貨架期，對面包老化速率無影響。面包在純CO2中儲存49d 后硬度增加與支鏈淀粉重結(jié)晶和可凍結(jié)水變化無線性關(guān)系，說明淀粉結(jié)晶和水分變化都影響面包的硬化。

2004 年，Xie 等人通過DSC 實驗結(jié)果顯示，高溫下支鏈淀粉的回生速度較低溫下慢［13］，可能是因為高溫條件下淀粉結(jié)晶速率延緩進(jìn)而面包老化受到抑制。同年，Miyazaki 等人采用DSC 法，以淀粉回生值作為面包老化指標(biāo)，研究不同糊精添加量對面包老化影響［14］。結(jié)果表明，加入2.5%低分子量糊精可延緩面包屑中淀粉回生。2012 年范晨麗采用DSC 研究抗老化劑對面包老化影響的實驗結(jié)果顯示，添加復(fù)合抗老化劑能夠降低面包面團(tuán)的熱焓值即ΔH 值，進(jìn)而在一定程度上減弱了面團(tuán)的回生程度［15］。2013年，張君采用DSC 檢測方法研究蜂蜜干粉對面包老化的影響，結(jié)果表明，蜂蜜干粉在面包中的應(yīng)用可延緩淀粉回生，延長面包貨架期［16］。

2.2 核磁共振(NMR)

目前，核磁共振(NMR)技術(shù)廣泛應(yīng)用于食品的不同加工(如干燥、冷凍、膠凝和儲藏等)過程中。以其能將食品中水分的空間分布和遷移變化直觀、準(zhǔn)確、連續(xù)的檢測優(yōu)點而備受青睞，是一種非破壞性的新型分析檢測手段。近年來，在面包老化機理研究領(lǐng)域中取得顯著進(jìn)展。

Ruan 使用NMR 技術(shù)對面團(tuán)中的水分進(jìn)行研究，通過對NMR 技術(shù)測得的橫向弛豫時間(T2)進(jìn)行離散和連續(xù)模型分析，結(jié)果顯示，在離散模型中呈現(xiàn)出三種不同弛豫時間的質(zhì)子，而在連續(xù)模型中呈現(xiàn)五種，進(jìn)而研究面團(tuán)中的水分含量及水分的形態(tài)對面團(tuán)流變性質(zhì)的影響。Gregory 采用NMR 技術(shù)進(jìn)行淀粉制品老化過程中水的性質(zhì)的實驗，研究發(fā)現(xiàn)水的特性能更深入地解析其老化過程［16］。李資玲等人［17］采用核磁共振技術(shù)研究了面包制作過程的水分遷移情況，結(jié)果表明，添加經(jīng)超高壓處理的膳食纖維的面包在制作過程中，其束縛相和自由相的遷移行為不同，部分“束縛水”流動性呈下降趨勢，含量在前三個階段稍有上升，焙烤階段開始下降且趨勢非常明顯;部分“自由水”的流動性在前三個階段一直呈下降趨勢，焙烤階段回升，含量一直呈上升狀態(tài)，有利于延緩面包老化，進(jìn)而延長產(chǎn)品貨架期。

2005 年，孔旭新等人［18］采用13C CP/MAS NMR(13C 橫向極化魔角旋轉(zhuǎn)NMR)對淀粉-丙烯酸鈉接枝物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，實驗結(jié)果表明接枝共聚物使淀粉結(jié)晶度明顯降低。

2006 年，林向陽采用NMR 及MRI(成像)技術(shù)對面包加工及儲藏過程中水分的分布狀態(tài)及在不同儲藏條件下面包物理化學(xué)特性的變化進(jìn)行研究［19］。通過大量的數(shù)據(jù)分析和論證了NMR 及MRI 對于研究和分析面團(tuán)、面包的制作及貨架期相關(guān)的物理化學(xué)特性，進(jìn)而從分子水平理解面團(tuán)和面包中物理化學(xué)的變化。實驗數(shù)據(jù)顯示，面包的短期回生與縱向弛豫時間(Tl)有很強的相關(guān)性，而面包的老化、水分活度的變化和面包內(nèi)部水分的遷移情況都可以通過面包的橫向弛豫時間(T2)變化得到很好地體現(xiàn)。2007年，張錦勝研究核磁共振技術(shù)分析水分遷移的實驗發(fā)現(xiàn)，利用NMR 狀態(tài)圖能夠預(yù)測食品的貨架期，并為開發(fā)耐儲藏食品(如:軍用食品，航空食品)提供理論指導(dǎo)［20］。

2.3 X-射線衍射(XRD)

X-射線衍射是晶體間相互作用產(chǎn)生的衍射，在食品領(lǐng)域用來測定蛋白質(zhì)、淀粉、多糖及脂肪等分子結(jié)構(gòu)。在面包老化中的應(yīng)用主要是研究淀粉結(jié)晶度，進(jìn)而從分子水平分析老化機理。Dragsdorf 和Varriano-Marston［21］等利用X-射線衍射技術(shù)研究大麥芽、真菌和細(xì)菌α-淀粉酶對老化面包中的淀粉重結(jié)晶及組織形態(tài)的影響。實驗表明，加入α-淀粉酶的新鮮面包中淀粉結(jié)晶有所增加，隨著老化進(jìn)一步加強，淀粉結(jié)晶量大量增加，且較未加酶處理的面包的結(jié)晶度大。加有α-淀粉酶的面包在儲藏7d 后，其淀粉結(jié)晶性明顯提高，而未加酶的在儲藏7d 后，經(jīng)X-射線衍射發(fā)現(xiàn)，淀粉的晶體結(jié)構(gòu)變化不明顯，但結(jié)晶度有所增強。結(jié)論表明，淀粉結(jié)晶度增大與面包老化并不統(tǒng)一。而Del Nobile 等人采用X-射線衍射技術(shù)進(jìn)行面包中淀粉回生動力學(xué)的模擬［22］，表明當(dāng)面包中的水分活度由10 降到0.877 時，總的淀粉晶體增大速率隨著淀粉成核速率的提高也增高。范晨麗采用X-射線衍射(XRD)檢測方法測定了復(fù)合添加劑對預(yù)烤冷凍面包面團(tuán)在冷藏過程中的淀粉回生及面包質(zhì)地變化，XRD 實驗結(jié)果表明，不同冷藏時間的樣品得出的晶型結(jié)構(gòu)都是相似的A 型峰，且隨冷藏時間的延長沒發(fā)生變化，基本和新鮮的面包相同，但較鮮面包峰強度偏高，對延緩面包老化有一定的作用［15］。

2.4 近紅外光譜(NIRS)

近紅外光譜(NIRS)是一種可以用于成分含量檢測，而且樣品狀態(tài)不受限制的檢測技術(shù)。在小麥面粉工業(yè)中主要用來測定面筋蛋白質(zhì)和分水含量。早在1991 年，Wilson 首先將NIRS 應(yīng)用于面包老化研究［23］，得到的實驗結(jié)果與DSC 法檢測的一致。隨后，Osborne 采用NIRS 對儲存期面包中淀粉結(jié)晶特性進(jìn)行研究，實驗表明NIRS 不僅能測定淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)，還能夠體現(xiàn)淀粉結(jié)晶性改變和水分流失［24］。Xie等通過對比近紅外光譜(NIRS)和食品質(zhì)構(gòu)儀(TA)兩種方法研究面包在儲存過程中物理化學(xué)變化。研究發(fā)現(xiàn)，NIRS 較TA 反映面包儲存過程中變化更準(zhǔn)確。這是因為TA 法僅檢測面包硬度，而硬度變化只是面包老化的一個方面。而NIRS 對面包儲存過程中的物理變化(隨結(jié)晶增多，反射特性發(fā)生改變)和化學(xué)變化(水分和淀粉間的相互作用和淀粉的結(jié)構(gòu)變化)進(jìn)行檢測［25-26］。Xie 等采用NIRS 和DSC 兩種方法研究淀粉、面筋蛋白質(zhì)及溫度對面包老化影響。實驗結(jié)果顯示，雖然NIRS 能夠準(zhǔn)確體現(xiàn)淀粉回生過程，但不能檢測出淀粉和面筋蛋白通過鰲合型氫鍵作用而形成的復(fù)合體。進(jìn)而得出結(jié)論:淀粉回生作用對面包老化的影響遠(yuǎn)比蛋白質(zhì)和淀粉的相互作用重要［13］。

2.5 其他分析技術(shù)

食品質(zhì)構(gòu)儀(TA)也常被用于面包和饅頭等老化研究中，通過測定硬度變化反映面包、饅頭等老化程度。但硬度只是老化的一個方面，不能準(zhǔn)確清晰的分析老化機理。掃描電鏡(SEM)也是常應(yīng)用于面包、饅頭老化研究中，掃描電鏡可觀察面包、饅頭等的超微結(jié)構(gòu)，能夠直觀研究淀粉和面筋蛋白質(zhì)間相互作用及焙烤和儲存過程中的變化。為面團(tuán)及面包特性的變化做出一定的解釋。2012 年，王曉艷等通過實驗表明，添加高膳食纖維能破壞面團(tuán)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致淀粉顆粒游離出來，老化回生容易發(fā)生［27］。動態(tài)機械熱分析儀(DMTA)是一種微觀流變學(xué)方法，通過施加動態(tài)應(yīng)力到樣品上，引起相應(yīng)的動態(tài)應(yīng)變，進(jìn)而反映樣品的粘彈性。在特定的頻率下對樣品加以溫度掃描，又可以獲得相態(tài)轉(zhuǎn)換信息。Vodovotz 等在對面包長期儲藏過程中熱機械性質(zhì)的變化研究中指出，測定老化的面包的(T1)轉(zhuǎn)變的峰形明顯變寬，峰溫增加顯著，研究者認(rèn)為玻璃化轉(zhuǎn)變引起面包硬化。而面包短期儲藏過程中T1轉(zhuǎn)變僅是峰形的變化，峰溫變化不明顯，認(rèn)為水分的損失影響了T1峰的變化［28］。

3 展望

總之，面包老化的機制非常復(fù)雜，許多分析技術(shù)特別是DSC、NMR、X-射線衍射和NIRS 等在分析技術(shù)研究面包、饅頭等制品的老化機理過程中發(fā)揮了重要作用，能從分子水平對面包老化機制做出解釋和證明，但這些分析技術(shù)還存在造價高、操作難度大以及分析指標(biāo)單一等局限性，這使其不能普遍應(yīng)用于面包產(chǎn)業(yè)中。隨著科學(xué)技術(shù)的躍進(jìn)式發(fā)展，相信在不久的將來一定會有更合理的檢測方法用于面包老化的檢測，為確定延緩面包、饅頭等制品老化、延長產(chǎn)品貨架期的方法提供可靠科學(xué)依據(jù)。

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